JP4632423B2 - POSITION CONTROL DEVICE, POSITION CONTROL METHOD, AND OPTICAL DEVICE - Google Patents
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Description
本発明は、例えば撮像装置の自動合焦制御に適した位置制御装置及び位置制御方法並びに当該位置制御装置を備えた光学装置に関する。 The present invention relates to a position control device and a position control method suitable for, for example, automatic focusing control of an imaging device, and an optical device including the position control device.
近年、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置においては、CCD等の撮像素子の多画素化、小型化にともない、レンズの位置決め制御において数μmオーダーの高い精度が要求されるようになってきている。これは、撮像素子が多画素化、小型化されるほど、レンズの位置決め誤差による撮影画像のピントボケが目立ちやすくなるために、撮像装置としての性能を確保する上でより高い精度の位置決め制御が必要となることがその理由である。 In recent years, in an imaging apparatus such as a digital still camera or a video camera, high accuracy on the order of several μm has been required for lens positioning control as the number of pixels of an imaging element such as a CCD is increased and the size is reduced. Yes. This is because, as the number of pixels of the image sensor increases and the size of the image sensor decreases, the out-of-focus blur of the captured image due to the positioning error of the lens becomes more conspicuous. That is why.
このような高い位置決め精度を実現するための、レンズの位置検出を行うセンサの一つに光学式エンコーダがある。光学式エンコーダは基本的に、光を透過する格子と透過しない格子とを一定の周期で配列した第1の光学格子が形成されたメインスケールと、これに対向して同様の第2の光学格子が形成されたインデックススケールと、メインスケールに光を照射する光源と、メインスケールの光学格子を透過又は反射し、更にインデックススケールの光学格子を透過した光を受光する受光素子とを備えて構成される。このとき受光素子アレイを用いてインデックススケールを兼ねる構成とするものもある。この種の光学式エンコーダは既に種々提案されている(例えば、特許文献1)。 An optical encoder is one of sensors that detect the position of a lens in order to achieve such high positioning accuracy. The optical encoder basically has a main scale on which a first optical grating in which a grating that transmits light and a grating that does not transmit light are arranged at a constant period, and a second optical grating that is similar to the main scale. Formed with an index scale, a light source for irradiating the main scale with light, and a light receiving element that transmits or reflects the optical grating of the main scale and receives the light transmitted through the optical grating of the index scale. The At this time, there is a configuration that also serves as an index scale using a light receiving element array. Various optical encoders of this type have already been proposed (for example, Patent Document 1).
上記のような構成のエンコーダはインクリメンタル型と呼ばれ、スケールの移動に伴ってエンコーダから出力される複数相の正弦波状の信号を信号処理回路によりパルス状の信号に変換し、パルスの増減によりその移動量を検出する。よって、このインクリメンタル型では相対的な移動量しか検出できないため、絶対位置や絶対角度を検出するためには原点位置(基準位置)となる絶対位置を検出するためのセンサが別途必要となり、そのためコストや設置スペースが増大する場合がある。 The encoder configured as described above is called an incremental type, and a multi-phase sinusoidal signal output from the encoder as the scale moves is converted into a pulse signal by a signal processing circuit. The amount of movement is detected. Therefore, since this incremental type can only detect the relative movement amount, in order to detect the absolute position and the absolute angle, a separate sensor for detecting the absolute position as the origin position (reference position) is required. And installation space may increase.
一方、絶対位置や絶対角度を検出することのできる光学式エンコーダとして以下のものが提案されている(例えば、特許文献2)。
On the other hand, the following are proposed as an optical encoder capable of detecting the absolute position and the absolute angle (e.g., Patent Document 2).
図7は、円形の光学スケールを用いて角度検出を行うインクリメンタル式のエンコーダにおける、原点位置を検出する手段を示した図である。この例では原点位置を検出するために光学スケール101のパターンの透過率を変化させており、領域102は透過率が概ね100%であるのに対し、領域103,104,105・・・と徐々に透過率が下がるように構成されている。
FIG. 7 is a diagram showing a means for detecting an origin position in an incremental encoder that performs angle detection using a circular optical scale. In this example, in order to detect the origin position, the transmittance of the pattern of the
図8は、上記スケールを用いたとき、光学スケール101における透過率の変化している部位がセンサを通過した際に得られる信号変化であり、106,107はセンサから得られるエンコーダ出力信号(アナログ2相信号)である。このとき、光学スケール101の透過率が徐々に下がっていくのに伴いエンコーダ出力信号の信号振幅が小さくなっていくため、この変化を検出することにより原点位置を検出する。このような構成とすることで、原点位置を検出するセンサを別途設けることなく絶対角度(絶対位置)を検出でき、コストやセンサの設置スペースの増大を回避することができる。
FIG. 8 is a signal change obtained when a portion where the transmittance of the
ここまでは光学式エンコーダにおける原点検出について説明したが、次に、光学式エンコーダから出力される複数相の正弦波状の信号に基づいて、数μmオーダーの高精度の位置検出を行う従来技術について説明する。 Up to this point, the origin detection in the optical encoder has been described. Next, the conventional technique for performing highly accurate position detection on the order of several μm based on a plurality of sine wave signals output from the optical encoder will be described. To do.
上述したように、光学式エンコーダから出力される複数相の正弦波状の信号をパルス状の信号に変換した場合、1パルスの分解能はスケール上の光学格子の配置密度に依存し、数10μm程度である。そこで、より高精度の位置検出を行うために、複数相の正弦波状の信号成分のうち直線性に優れた信号成分を持つ相を選択して、その信号成分を内挿する演算を行い、演算結果に基づいて位置を検出する手法が提案されている(例えば、特許文献3)。 As described above, when a multi-phase sinusoidal signal output from the optical encoder is converted into a pulse signal, the resolution of one pulse depends on the arrangement density of the optical grating on the scale, and is about several tens of μm. is there. Therefore, in order to detect the position with higher accuracy, a phase having a signal component with excellent linearity is selected from the sine wave signal components of multiple phases, and an operation for interpolating the signal component is performed. A method for detecting the position based on the result has been proposed (for example, Patent Document 3).
内挿演算による位置の演算手法については公知のため詳細な説明は省略し、以下では内挿演算を行うためのエンコーダ出力信号の補正に関する従来技術についてのみ説明する。 Since the calculation method of the position by the interpolation calculation is well known, a detailed description thereof will be omitted, and only the conventional technique relating to the correction of the encoder output signal for performing the interpolation calculation will be described below.
一般に、光学式エンコーダの複数相の出力は、例えば図9に示すように、その振幅、および振幅中心のレベルが異なっていることが多い。よって、このままでは前記の内挿演算によって位置を演算する上で十分な精度が得られないため、例えば図10に示すように、振幅および振幅中心が揃うようにエンコーダ出力データの補正処理が行われる。 In general, the outputs of a plurality of phases of an optical encoder often have different amplitudes and levels of amplitude centers as shown in FIG. Therefore, since the accuracy cannot be sufficiently obtained when the position is calculated by the interpolation calculation as described above, the correction process of the encoder output data is performed so that the amplitude and the amplitude center are aligned as shown in FIG. 10, for example. .
この補正処理は以下のように行われる。即ち、測定対象物であるレンズをエンコーダの正弦波出力の1周期以上動かし、エンコーダ出力信号をA/D変換器を介して位置演算用のマイクロコンピュータに取り込む。取り込んだ出力信号データの最大値と最小値とにより補正処理に用いるゲイン・オフセット調整値を求め、この調整値に基づいて振幅および振幅中心が揃うように出力信号データを加工することで補正処理が行われる。
This correction processing is performed as follows. That is, the lens as the measurement object is moved for one cycle or more of the sine wave output of the encoder, and the encoder output signal is taken into the position calculation microcomputer via the A / D converter. Calculated gain offset adjustment value used for more correction the maximum and minimum values of the output signal data taken, correction processing by processing the output signal data to the amplitude and the amplitude center aligned on the basis of the adjustment value Is done.
具体的には、出力信号データの最大値をMAX、最小値をMINとすると、調整値であるGAIN及びOFFSETは、数式(1)及び数式(2)により夫々計算される。なお、数式(1)中のRANGEは調整後のデータのダイナミックレンジである。 Specifically, assuming that the maximum value of the output signal data is MAX and the minimum value is MIN, the adjustment values GAIN and OFFSET are calculated by Expressions (1) and (2), respectively. Note that RANGE in Equation (1) is the dynamic range of the adjusted data.
ここで得られたGAIN及びOFFSETにより、出力信号データSIGに対して数式(3)の補正式を適用することにより、補正処理されたエンコーダ出力データOUTPUTが得られる。 The corrected encoder output data OUTPUT is obtained by applying the correction formula of Formula (3) to the output signal data SIG using the GAIN and OFFSET obtained here.
このようにして補正処理されたエンコーダ出力データを用いて内挿演算を行うことにより、撮像装置に要求される高い精度のレンズ位置検出およびレンズの位置決め制御を実現することができる。
ここで、上述した位置演算処理手法と、原点位置検出手法とを組み合わせ、これによりコストや設置スペースを増大させることなくレンズの絶対位置を高精度に制御する手法の検討を進めていたところ、撮像装置としての性能低下という問題点が顕在化した。 Here, when the position calculation processing method described above and the origin position detection method were combined, and a method for controlling the absolute position of the lens with high accuracy without increasing cost and installation space was being studied, imaging The problem of performance degradation as a device became apparent.
より詳しくは、既に図9で示したように、原点位置においてはエンコーダ信号の信号振幅が急激に変化し、これに伴い信号の最大値が得られる位置と最小値が得られる位置での信号振幅が異なってしまうため、上記数式(1)で得られるGAINは正確な信号振幅とは異なった値となる。また同様に信号振幅の変化に伴い信号の最大値と最小値とが振幅中心に対して上下非対称となるために、数式(2)で得られるOFFSETも信号の振幅中心とずれた値となる。この結果、エンコーダの出力信号データの補正処理に誤差が生じ、原点位置の近辺において内挿演算による位置検出の精度が低下してしまう。 More specifically, as already shown in FIG. 9, the signal amplitude of the encoder signal changes abruptly at the origin position, and accordingly, the signal amplitude at the position where the maximum value of the signal is obtained and the position where the minimum value is obtained. Therefore, GAIN obtained by Equation (1) has a value different from the accurate signal amplitude. Similarly, the maximum and minimum values of the signal are asymmetrical with respect to the amplitude center as the signal amplitude changes, so that OFFSET obtained by Equation (2) is also shifted from the signal amplitude center. As a result, an error occurs in the correction process of the output signal data of the encoder, and the accuracy of position detection by the interpolation calculation is reduced in the vicinity of the origin position.
即ち、従来の原点位置検出手法と位置演算処理手法とを組み合わせた場合、原点位置付近における位置検出精度の低下により、原点位置付近でレンズ位置の制御精度が低下し、撮像時にピントボケが生じるなどの、撮像装置としての性能が低下してしまう場合がある。 In other words, when the conventional origin position detection method and the position calculation processing method are combined, the lens position control accuracy decreases near the origin position due to a decrease in the position detection accuracy near the origin position, resulting in out-of-focus when shooting. In some cases, the performance of the imaging device is degraded.
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、以上に述べた原点位置付近での位置制御対象物の位置検出精度の低下による位置制御装置の性能低下を防止することを目的とする。また他の目的は、撮像装置内のレンズの位置制御のために位置制御装置を用いた場合に、撮像装置としての性能低下を防止することを目的とする。 The present invention has been made based on such circumstances, and an object of the present invention is to prevent the performance degradation of the position control device due to the lowered position detection accuracy of the position control object near the origin position described above. To do. Another object of the present invention is to prevent performance degradation as an imaging device when a position control device is used to control the position of a lens in the imaging device.
本発明の位置制御装置は、周期的に変化するパターンが形成されたスケールと、位置制御対象物の移動に応じてスケールに対して相対移動することにより正弦波状の信号を出力するエンコーダと、位置制御対象物の位置を制御する制御手段とを備え、スケールは、エンコーダの出力信号の振幅を一定とさせるように構成された第1の領域と、エンコーダの出力信号の振幅を変化させるように構成された第2の領域とを有し、位置制御対象物は撮影光学系のレンズであり、第1の領域は撮影の際に上記レンズが移動可能となる撮影光学系の光学的有効範囲に対応した領域であり、制御手段は、第2の領域によって生成されるエンコーダの出力信号に基づいて、位置制御対象物の位置制御における原点位置を検出すると共に、検出された原点位置を用いて位置制御対象物の絶対位置を検出することを特徴とする。 The position control device of the present invention includes a scale on which a periodically changing pattern is formed, an encoder that outputs a sinusoidal signal by moving relative to the scale according to the movement of the position control object, Control means for controlling the position of the controlled object, and the scale is configured to change the amplitude of the output signal of the encoder, and a first region configured to make the amplitude of the output signal of the encoder constant. The position control object is a lens of the photographing optical system, and the first region corresponds to the optical effective range of the photographing optical system in which the lens can be moved during photographing. a regions, the control means based on the output signal of the encoder generated by the second region, and detects the origin position in the position control of the position control object, the detected home position And detecting the absolute position of the position control object using.
本発明の位置制御方法は、周期的に変化するパターンが形成されたスケールと、位置制御対象物の移動に応じてスケールに対して相対移動することにより正弦波状の信号を出力するエンコーダとを備え、スケールが、エンコーダの出力信号の振幅を一定とさせるように構成された第1の領域と、エンコーダの出力信号の振幅を変化させるように構成された第2の領域とを有する位置制御装置に用いられ、位置制御対象物の位置を制御するための位置制御方法であって、位置制御対象物は撮影光学系のレンズであり、第1の領域は撮影の際に上記レンズが移動可能となる撮影光学系の光学的有効範囲に対応した領域であり、第2の領域によって生成される前記エンコーダの出力信号に基づいて、位置制御対象物の位置制御における原点位置を検出する第1のステップと、第1のステップで検出された原点位置を用いて、位置制御対象物の絶対位置を検出する第2のステップとを有することを特徴とする。 The position control method of the present invention includes a scale on which a periodically changing pattern is formed, and an encoder that outputs a sinusoidal signal by moving relative to the scale according to the movement of the position control object. A position control device having a first area in which the scale is configured to make the amplitude of the output signal of the encoder constant, and a second area configured to change the amplitude of the output signal of the encoder; A position control method used for controlling the position of a position control object , wherein the position control object is a lens of a photographing optical system, and the first region allows the lens to move during photographing. a corresponding to the optically effective range of the photographing optical system area, based on an output signal of the encoder generated by the second region, detects the origin position in the position control of the position control object A first step of using the detected home position in a first step, and having a second step of detecting the absolute position of the position control object.
本発明によれば、スケールに設けられた第1の領域を用いてエンコーダの出力信号の振幅を一定とさせることにより、この信号に基づいて位置制御対象物の絶対位置を検出することで、高精度の位置検出を行うことができる。また、スケールに設けられた第2の領域を用いてエンコーダの出力信号の振幅を変化させることにより、この信号に基づいて容易に原点位置を検出できる。
According to the present invention, the amplitude of the output signal of the encoder is made constant using the first region provided in the scale, and the absolute position of the position control object is detected based on this signal. Accurate position detection can be performed. Further, by changing the amplitude of the output signal of the encoder by using a second region provided on the scale, it can detect the home position easily based on this signal.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
本発明の実施例1である位置制御装置を、撮像装置におけるレンズの位置制御に適用した場合について添付図面を参照しながら以下に説明する。 A case where the position control apparatus according to the first embodiment of the present invention is applied to lens position control in an imaging apparatus will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、位置制御装置を備えた撮像装置、例えばデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラの構成を示すブロック図である。図中201は、光軸方向(図1の矢印方向)に移動可能な位置制御対象物である、撮影光学系の一部のレンズ(フォーカスレンズ)であり、例えばリング状のレンズ支持部202aにより支持されて鏡筒202の内部に設けられている。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging apparatus including a position control device, for example, a digital video camera or a digital still camera. In the figure,
レンズ支持部202aは駆動源としてのレンズ駆動モータ203からの駆動力を受けることでスライド移動可能であり、これによりレンズ201は光軸方向に移動可能なように構成されている。
The
また、図中204は、光電変換素子である例えばCCDセンサやCMOSセンサなどの撮像素子である。レンズ201を介して入射された被写体からの光束は撮像素子204上に結像し、被写体像(光学像)が電気信号に変換される。撮像素子204から読み出された画像信号は、画像処理回路205において、例えば輝度信号や色信号を形成するなどの所定の画像処理が施され、カラーの画像信号(画像データ)が生成される。
In the figure,
こうして生成された画像信号は、撮像装置に設けられた液晶表示部に表示されたり、磁気テープや画像記憶メモリなどの記憶媒体に記憶されたりする。 The image signal generated in this way is displayed on a liquid crystal display unit provided in the imaging apparatus, or stored in a storage medium such as a magnetic tape or an image storage memory.
なお、図1ではレンズ201を1枚のレンズとして示しているが、一般に撮影光学系は複数のレンズで構成されている。また、撮像装置は、像面に入射する光量を調節する光量調節ユニット(例えば、絞りユニットを含む)を備えている。さらに、撮影光学系の焦点距離を変更するズーム機構(ズームレンズを含む)を備えていてもよい。
In FIG. 1, the
鏡筒202の内部には、図1および図2に示すように、光軸方向に延びる光学スケール301が、レンズ支持部202aに固定されたスケール支持部304に支持されて設けられている。つまり、光学スケール301は、レンズ201の移動に伴いレンズ201と一体的に光軸方向にスライド移動するように構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, an
光学スケール301の表面には、光軸方向に沿って一定の周期例えば等間隔に配列された所定の反射率を有する複数の光学格子302が設けられている。また、レンズ201の原点位置(基準位置)を検出するために、光学スケール301の表面には、光学的な特性が異なる不連続領域302aが設けられている。
The surface of the
この不連続領域302aでは、光学スケール301の表面に設けられた複数の光学格子302の一部、例えば隣り合う3つの光学格子302における反射率が互いに異なっている。また、不連続領域302a内における光学格子302の反射率は、不連続領域302a外における他の光学格子302の反射率とは異なっている。
In the
例えば、光学スケールに黒色のマーキングを施すことにより、不連続領域302a内の光学格子302における反射率を変えることができる。
For example, the reflectance of the
即ち、光学スケール301は、所定の反射率を有する複数の光学格子302が光軸方向に並べられた第1の領域と、互いに異なる反射率を有する複数の光学格子302が光軸方向に並べられた第2の領域(不連続領域302a)とを有している。
That is, the
ここで、第1の領域内における複数の光学格子302は、略等しい反射率を有している。また、第1および第2の領域はそれぞれ、周期信号生成部及び不連続信号生成部として構成される。
Here, the plurality of
光学スケール301の表面に対向するように、光学センサ303が例えば鏡筒202の内周面に固定されて設けられている。この光学センサ303は、光学スケール301の表面に光を照射する発光部(図示せず)と、光学スケール301で反射した光を受光する受光部とを有している。
For example, an
受光部は、光軸方向に所定の間隔で並べられた3つの受光素子アレイ305が一体化されて構成されている。
The light receiving unit is configured by integrating three light receiving
光学センサ303と光学スケール301とを組み合わせて光学式エンコーダとして使用される。受光素子アレイ305は、光学センサ303の発光部から照射され、光学スケール301で反射した干渉光を受光することで、例えば2相の正弦波状の信号(正弦波信号)を出力する。
A combination of the
なお、正弦波信号は必ずしも2相に限定されるものではなく、3相以上の場合もあるが、以下の説明においては、2相の正弦波信号を用いて位置検出を行う場合について説明する。 Note that the sine wave signal is not necessarily limited to two phases, and there may be three or more phases. However, in the following description, a case where position detection is performed using a two-phase sine wave signal will be described.
図1において、光学センサ303から出力された2相の正弦波信号は、アンプ306a,306bにて増幅され、位置検出手段としてのマイクロコンピュータ307に取り込まれる。マイクロコンピュータ307は、入力信号の補正処理、内挿演算などを行うことにより、レンズ201の現在位置を求める。そして、レンズ201を目標位置に移動させるための位置制御演算を行い、駆動信号を駆動回路308に出力する。
In FIG. 1, a two-phase sine wave signal output from the
駆動回路308は、マイクロコンピュータ307からの駆動信号に基づきレンズ駆動モータ203を駆動させて、レンズ201を目標位置に移動させる。
The
ここで、マイクロコンピュータ307の具体的な構成について説明する。
Here, a specific configuration of the
サンプルホールド回路401a,401bは、アンプ306a,306bにより増幅された信号をサンプリングする。A/D変換器402は、サンプルホールド回路401a,401bの出力信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換する。
The
レンズ位置演算部403は、A/D変換器402の出力信号に対して補正処理、内挿演算処理などを行うことにより、レンズ201の現在位置を求める。位置制御演算部404は、レンズ位置演算部403での演算結果に基づいて、レンズ201を目標位置に移動させるための位置制御演算を行う。具体的には、レンズ201の現在位置から目標位置までの移動量を求める。
The lens
オートフォーカス処理部406は、画像処理回路205からの信号に基づいて、撮影光学系が合焦状態となるレンズ201の位置(目標位置)を求め、この位置情報を位置制御演算部404に出力する。
The
駆動信号生成部405は、位置制御演算部404での演算結果に応じた駆動信号を生成して駆動回路308に出力する。
The drive
なお、レンズ位置演算部403、位置制御演算部404の機能は、電気回路でなくマイクロコンピュータで実行されるソフトウェアとして実現することもできる。
Note that the functions of the lens
本実施例の撮像装置において、位置制御対象物であるレンズ201の位置を検出するために行われる信号処理について図3を参照しながら説明する。先ず、レンズ201が移動可能範囲内の任意の位置にある場合、光学センサ303からは、レンズ201の現在位置に対応するサイン波及びコサイン波の2相の信号が出力される。
The signal processing performed to detect the position of the
マイクロコンピュータ307は、上述した数式(1)〜(3)を用いることにより、光学センサ303の出力信号に対してゲイン調整及びオフセット調整を行う。これにより、図3(A)に示すような振幅の揃った2相の信号(位相の異なる正弦波信号)が得られる。
The
続いて、図3(B)に示すように、各相の信号に対して正負を反転させることで、4相(SIN、COS、−SIN、−COS)の信号を生成し、これらの信号の中から直線性に優れた信号成分を持つ相を選択する。ここで、4つの相はそれぞれ90°の位相差を持つため、図3(C)に示すように、レンズ201が位相90°分だけ移動するごとに選択される相が切り替わることとなる。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, by inverting the positive / negative of each phase signal, four-phase (SIN, COS, -SIN, -COS) signals are generated. Select a phase that has a signal component with excellent linearity. Here, since the four phases each have a phase difference of 90 °, as shown in FIG. 3C, the selected phase is switched every time the
そして、図3(D)に示すように、選択した相が切り替わるごとに、対応する信号成分のゲイン分だけ信号成分をシフトさせることで、レンズ201の位置に対して直線的に対応する位置演算結果(位置情報)を得る。この位置演算結果を用いて、レンズ201の現在位置における信号の電圧値に基づきその位置を検出する。
Then, as shown in FIG. 3D, each time the selected phase is switched, the signal component is shifted by the gain of the corresponding signal component, thereby linearly corresponding to the position of the
上述したようにレンズ201の現在位置を検出し、この検出結果に基づいてレンズ201を駆動するフィードバックシステムを構成することにより、光学式エンコーダによる位置検出に基づいた位置制御が可能となる。
As described above, by detecting the current position of the
なお、レンズ201を移動させる目標位置については、例えば画像処理回路205の出力信号からマイクロコンピュータ307にて撮像画像の合焦度を判定し、オートフォーカス処理部406により公知の合焦制御アルゴリズムに基づいて撮影光学系が合焦状態となるようなレンズ位置を目標位置として演算するなどして決定される。
For the target position to move the
このような制御手法の一例としては、画像処理回路205から出力された信号の高周波成分のピークを検出して、レンズ201の駆動を制御する山登り方式と呼ばれるものが用いられる。具体的には、レンズ201を少しずつ移動させて高周波成分が増加する方向を見つけ、さらにその方向に目標位置を設定しながらレンズ201を移動させていき、高周波成分が増加から減少に変ったらピーク付近までレンズ201を戻し、再度目標位置を設定して微調整していくことによりピークを検出するようにする。
As an example of such a control method, a so-called hill-climbing method that detects the peak of the high-frequency component of the signal output from the
なお、本実施例において、光学センサ303として、発光部および受光部が一体的に構成されたものを用いたが、別個に設けた構成にすることもできる。
In the present embodiment, as the
また、本実施例では、受光素子アレイ305が、光学スケール301からの反射光を受光する構成としたが、以下に説明する構成とすることもできる。すなわち、光学センサの発光部から照射された光を光学スケール(光学格子)で透過させ、透過した光を光学センサの受光部で受光する構成とすることができる。
In this embodiment, the light receiving
さらに、以上の説明では光学スケール301およびレンズ201と、光学センサ303および鏡筒202とがそれぞれ一体となっているものとしたが、レンズ201の移動に応じて、光学スケール301および光学センサ303が相対的に移動する構成であればよい。
Further, in the above description, the
例えば、光学スケール301を鏡筒202に固定し、光学センサ303をレンズ201と一体となって移動させることもできる。
For example, the
次に、本実施例における撮影光学系の光学的有効範囲(撮像可能領域と呼ばれることもある)について、以下に詳しく説明する。撮影光学系は、所定の被写体距離範囲(例えば1m〜無限遠など)内にある被写体に対して合焦するように設計され、それに伴い焦点調節の際に必要となるレンズ201の移動範囲が決定される。この範囲が撮影光学系の光学的有効範囲となる。
Next, the optical effective range (sometimes referred to as an imageable area) of the photographing optical system in the present embodiment will be described in detail below. The photographic optical system is designed to focus on a subject within a predetermined subject distance range (for example, 1 m to infinity), and accordingly, a moving range of the
図4は、光学的有効範囲について詳しく説明するための図であって、被写体距離とフォーカスレンズの位置との関係を模式的に示した図である。なお、上述したように一般に撮影光学系は複数のレンズ群により構成されるが、ここでは簡単のため1枚のレンズ201で模式的に図示している。
FIG. 4 is a diagram for explaining the optical effective range in detail, and schematically showing the relationship between the subject distance and the position of the focus lens. As described above, the photographing optical system is generally composed of a plurality of lens groups, but here, for simplicity, a
撮影光学系を構成する各レンズ群は、凸状又は凹状など種々の形状のレンズを組み合わせて構成されるが、複数のレンズ群の全て又は一部を位置制御対象物とすることができる。本実施例においては、焦点調節を行うフォーカスレンズ(レンズ201)を位置制御対象物としている。 Each lens group constituting the photographing optical system is configured by combining lenses having various shapes such as a convex shape or a concave shape, and all or a part of the plurality of lens groups can be used as a position control object. In this embodiment, a focus lens (lens 201) that performs focus adjustment is used as a position control object.
図4(A)は、例えば1mの離間距離(被写体距離)にある被写体の像が撮像素子204の撮像面上で合焦している状態を示しており、このときのレンズ201は位置Aにある。図4(B)は、無限遠の距離(被写体距離)にある被写体の像、すなわち略平行光線の像が合焦している状態を示しており、このときのレンズ201は位置Aよりも図中右側(つまり撮像素子204側)の位置Bにある。
FIG. 4A shows a state in which an image of a subject at a separation distance (subject distance) of, for example, 1 m is in focus on the imaging surface of the
これらに対し、図4(C)では、レンズ201が位置Bよりもさらに右側の位置Cにあるが、この状態ではいかなる被写体距離にある被写体に対しても合焦状態とならない。
On the other hand, in FIG. 4C, the
このため光学設計上、レンズ201の移動位置は位置Aと位置Bとの間の範囲で制御すればよく、この範囲が光学的有効範囲となる。一方、位置Cは光学的有効範囲外(撮像可能領域外)であり、光学的有効範囲外でレンズ201の位置を制御することは光学的には実質意味をなさない。すなわち、撮像装置の合焦制御において、光学的有効範囲外にレンズ201を移動させる必要はない。
For this reason, in terms of optical design, the moving position of the
光学的有効範囲(第1の移動範囲)内では、高精度でのレンズ位置の検出および位置制御が必要であるのに対し、光学的有効範囲以外の範囲(第2の移動範囲)では精度が低下しても撮像装置としての性能には影響しないか、あるいは影響があったとしても極めて小さい。 In the optical effective range (first movement range), it is necessary to detect and control the position of the lens with high accuracy, whereas in the range other than the optical effective range (second movement range), the accuracy is high. Even if it falls, it does not affect the performance as an imaging device, or even if it is affected, it is extremely small.
以上を踏まえて、本発明の特徴である、光学スケール301上における原点の設定位置について説明する。
Based on the above, the setting position of the origin on the
図5は、光学スケール301のうち原点位置となり得る位置に、光学的な特性(反射率や透過率)が異なる不連続領域を設けた場合における、光学センサ303の出力信号を示す図である。なお、光学センサ303の出力信号は複数相あるが、ここでは説明を簡単とするために1相のみ示している。
FIG. 5 is a diagram illustrating an output signal of the
図5において、横軸は光軸方向におけるレンズ201の位置、縦軸は光学センサ303からの出力信号の振幅を示す。図5に示した位置Pが原点位置に対応し、位置Pを含む領域C内で出力信号の振幅が減少している。すなわち、領域C内において、領域Cの端から位置Pに向かって出力信号の振幅が減少している。この振幅の変化に基づいて、原点位置を検出することができる。
In FIG. 5, the horizontal axis indicates the position of the
一方、図5中の領域B内でのレンズ位置では、位置Pから十分離れており、出力信号の振幅が一定となっている。
On the other hand, in the lens position in the region B in FIG. 5, and far enough away from the position P, the amplitude of the output signal is constant.
そこで、図5中の領域Aがレンズ201の移動可能範囲となり、かつ図5中の領域Bが撮影光学系の光学的有効範囲となるように、レンズ201、光学スケール301、光学センサ303を配置する。
Therefore, the
このような構成とすることにより、光学的有効範囲内においては光学式エンコーダからの出力信号の振幅は一定となり、高い精度でレンズ201の位置検出及び位置制御を行うことができる。
With this configuration, the amplitude of the output signal from the optical encoder is constant within the optically effective range, and the position detection and position control of the
一方、原点位置Pの近傍では出力信号の振幅が減少しているため、既述の演算処理を行うと位置検出精度が低下するおそれがある。しかし、原点位置の検出は、例えば撮像装置の起動時にのみ実行すればよく、前述したように撮影動作のときに光学的有効範囲外(図5の領域B以外の領域)にレンズ201を移動させる必要はないために、この位置検出精度の低下が撮像装置の性能に影響することはない。
On the other hand, the amplitude of the output signal decreases in the vicinity of the origin position P, and therefore the position detection accuracy may be reduced if the above-described calculation processing is performed. However, the detection of the origin position may be performed only when the imaging apparatus is started, for example, and as described above, the
これまで詳しく説明してきた処理方法や構成を用いて行われるレンズ201の位置制御の流れを、図6を参照しながら簡単に説明しておく。
The flow of position control of the
まず、例えば撮像装置の電源がオンにされるなどして起動されるか、又は操作者が撮像装置の操作部で所定の操作を行うと、レンズ201を第2の移動範囲における後方端に移動させ、例えば徐々に前方に移動させながら原点位置を検出する(ステップS501)。
First, the
このとき、例えば図5を参照すると、原点位置は光学センサ303からの信号の再現性の信頼が高い点、例えばゲイン及びオフセットが補正された後の信号で中心軸と交わる点を検出することにより原点位置とする。
At this time, for example, referring to FIG. 5, the origin position is detected by detecting a point where the signal from the
こうして原点位置が検出されると、レンズ201を光学的有効範囲(第1の移動範囲)まで移動させる(ステップS502)。レンズ201が光学的有効範囲内に位置しているか否かは、検出した原点位置を基準位置として既述の位置演算を行うことにより判定する。
When the origin position is detected in this way, the
撮像装置が起動処理を完了しオートフォーカス動作が開始されると、検出された原点位置を基準位置として既述の位置演算によりレンズ201の現在位置を検出する(ステップS503)。撮像素子204の出力信号を用いて合焦度を判定し、レンズ201の目標位置を設定する(ステップS504)。
When the imaging apparatus completes the activation process and the autofocus operation is started, the current position of the
これら現在位置と目標位置に基づいてレンズ201の移動量が設定され、その設定値に基づいてレンズ201を目標位置まで移動させる(ステップS505)。
The movement amount of the
本実施例によれば、光学式エンコーダ(光学センサ303)からの正弦波信号を処理してレンズ201の現在位置を検出すると共に、光学式エンコーダの光学スケール301に不連続領域302aを設けて原点位置を検出している。そして、原点位置(不連続領域302a)を光学的有効範囲外に位置させている。
According to the present embodiment, a sine wave signal from the optical encoder (optical sensor 303) is processed to detect the current position of the
これにより、原点位置付近でのレンズ位置制御精度の低下による撮像装置の性能低下を防止することができる。 Thereby, it is possible to prevent the performance of the image pickup apparatus from being deteriorated due to a decrease in the lens position control accuracy near the origin position.
なお、本実施例においては、光学スケール301の表面に、所定の周期で連続して変化する信号を生成する領域と、この周期とは異なる信号成分を含む不連続な信号を生成する領域とを形成した構成、つまり共通の光学スケール301に周期信号生成部及び不連続信号生成部の両方を形成している。なお、周期信号生成部及び不連続信号生成部を、別個の光学スケールに形成するようにしてもよい。
In the present embodiment, an area for generating a signal that continuously changes at a predetermined period and an area for generating a discontinuous signal including a signal component different from the period are formed on the surface of the
更に、光学スケール301は直線状に形成しなくてもよく、位置制御対象物の移動経路に応じてその形状を選択することができる。
Furthermore,
また、本発明においては、正弦波信号を出力するものであれば光学式エンコーダでなくてもよく、例えば磁気式エンコーダを用いるようにしてもよい。
In the present invention, as long as it outputs a sine wave signal it may not be an optical encoder, for example, may be a magnetic encoder.
磁気式エンコーダは、例えばレンズ201の移動方向に沿って延びるスケールに交互に逆極性となるような着磁を施し、さらにこのスケールの表面に対向して磁気抵抗素子としてのMRセンサを設けることによって構成することができる。
The magnetic encoder, for example, magnetizes the scale extending along the moving direction of the
この場合にもレンズ201が移動するとMRセンサから複数相の正弦波信号が出力されるので、既述の場合と同様に信号処理することによりレンズ201の高精度な位置制御を可能にすることができる。
Also in this case, when the
この場合、例えばスケールの着磁強度を低くした領域(不連続領域302aに対応する)をスケールの一部に設け、この領域においてMRセンサの出力を不連続に変化(出力信号の振幅を変化)させることで、本実施例と同様に原点位置の検出を行うことができる。
In this case, for example, a region where the magnetizing intensity of the scale is lowered (corresponding to the
本実施例によれば、原点位置の検出を容易に行うことができるとともに、レンズ201の絶対位置の検出を高精度で行うことができる。しかも、光学スケール301に、絶対位置の検出を行うために用いられる複数の光学格子302と、原点位置の検出を行うために用いられる複数の光学格子302とを設けているため、各位置を検出するための部材をそれぞれ設ける場合に比べて小型化および低コスト化を図ることができる。
According to this embodiment, the origin position can be easily detected, and the absolute position of the
一方、本実施例では、上述したようにレンズ一体型のカメラ(光学装置)について説明したが、カメラ本体と、該カメラ本体に装着されるレンズ装置とで構成されるカメラシステムにおいて、レンズ装置(光学装置)内に位置制御装置を設けることができる。 On the other hand, in the present embodiment, as described above, the lens-integrated camera (optical device) has been described. However, in a camera system including a camera body and a lens device attached to the camera body, the lens device ( A position control device can be provided in the optical device.
201 レンズ
202 鏡筒
203 撮像素子
204 画像処理回路
205 レンズ駆動モータ
301 光学スケール
302 光学格子
302a 不連続領域
303 光学センサ
305 受光素子アレイ
307 マイクロコンピュータ
308 駆動回路
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記スケールは、前記エンコーダの出力信号の振幅を一定とさせるように構成された第1の領域と、前記エンコーダの出力信号の振幅を変化させるように構成された第2の領域とを有し、
前記位置制御対象物は撮影光学系のレンズであり、前記第1の領域は撮影の際に前記レンズが移動可能となる前記撮影光学系の光学的有効範囲に対応した領域であり、
前記制御手段は、前記第2の領域によって生成される前記エンコーダの出力信号に基づいて、前記位置制御対象物の位置制御における原点位置を検出すると共に、検出された原点位置を用いて前記位置制御対象物の絶対位置を検出することを特徴とする位置制御装置。 A scale on which a periodically changing pattern is formed, an encoder that outputs a sinusoidal signal by moving relative to the scale according to the movement of the position control object, and a position of the position control object. Control means for controlling,
The scale has a first region configured to make the amplitude of the output signal of the encoder constant, and a second region configured to change the amplitude of the output signal of the encoder,
The position control object is a lens of a photographing optical system, and the first region is a region corresponding to an optically effective range of the photographing optical system in which the lens can move during photographing.
The control means detects an origin position in the position control of the position control object based on an output signal of the encoder generated by the second area, and uses the detected origin position to control the position control. A position control device for detecting an absolute position of an object.
前記エンコーダは、前記光学スケールに対して光を照射する発光部と、前記光学スケールを介して前記発光部の光を受光する受光部とを有することを特徴とする請求項1に記載の位置制御装置。 The scale is an optical scale on which a pattern in which optical characteristics change periodically is formed,
The position control according to claim 1, wherein the encoder includes a light emitting unit that irradiates light to the optical scale, and a light receiving unit that receives light from the light emitting unit via the optical scale. apparatus.
前記エンコーダは、前記磁気スケールに対して相対移動可能に設けられた磁気抵抗部を有する磁気式エンコーダであることを特徴とする請求項1に記載の位置制御装置。 The scale is a magnetic scale on which a pattern in which magnetic characteristics change periodically is formed,
The position control device according to claim 1, wherein the encoder is a magnetic encoder having a magnetoresistive portion provided to be movable relative to the magnetic scale.
前記制御手段は、検出した前記絶対位置に基づいて、前記移動手段を介して前記位置制御対象物を目標位置に移動させることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の位置制御装置。 Moving means for moving the position control object;
5. The position according to claim 1, wherein the control unit moves the position control object to a target position via the moving unit based on the detected absolute position. Control device.
前記位置制御対象物は撮影光学系のレンズであり、前記第1の領域は撮影の際に前記レンズが移動可能となる前記撮影光学系の光学的有効範囲に対応した領域であり、
前記第2の領域によって生成される前記エンコーダの出力信号に基づいて、前記位置制御対象物の位置制御における原点位置を検出する第1のステップと、
前記第1のステップで検出された原点位置を用いて、前記位置制御対象物の絶対位置を検出する第2のステップとを有することを特徴とする位置制御方法。 A scale on which a periodically changing pattern is formed; and an encoder that outputs a sinusoidal signal by moving relative to the scale in accordance with the movement of a position control object; and the scale includes the encoder Used in a position control device having a first region configured to make the output signal amplitude constant and a second region configured to change the amplitude of the output signal of the encoder, A position control method for controlling the position of a position control object,
The position control object is a lens of a photographing optical system, and the first region is a region corresponding to an optically effective range of the photographing optical system in which the lens can move during photographing.
A first step of detecting an origin position in position control of the position control object based on an output signal of the encoder generated by the second region;
And a second step of detecting an absolute position of the position control object using the origin position detected in the first step.
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